基于FPGA的TMR方法改進策略

　　因為TMR資源消耗較大，一般方法中由于布線以及表決器的實現(xiàn)，當粒度越小耗費的資源更多。文獻提出了一種比較新穎的小粒度的方法，它對基于SRAM的FPGA的結(jié)構(gòu)進行了一些改變(LUT及CLB結(jié)構(gòu))，以小粒度來實現(xiàn)TMR但資源消耗卻得到降低。

　　文中選用Xilinx Virtex-5系列芯片。其基本結(jié)構(gòu)是由兩個5輸入的LUT實現(xiàn)的一個6輸入的LUT。如圖3所示。如果低五位輸入數(shù)據(jù)相同那么可以實現(xiàn)兩個5輸入的LUT。在有些情況下，只需要5輸入的LUT，此時另一個LUT沒有被使用。如果在布局時使其總滿足這種情況，那么可以用留下的資源來實現(xiàn)TMR。

　　一個TMR需要兩個LUT，而兩個TMR只需要三個LUT，需要在LUT內(nèi)部實現(xiàn)表決器、報錯電路以及其他的一些控制線，這增加了LUT內(nèi)部的布線和延遲。

　　這種方法的優(yōu)點是粒度減小，可靠性增加，資源消耗少，可通過檢錯和定位進行有條件的重構(gòu)，減少了功耗和配置時間。實驗結(jié)過表明，相比于傳統(tǒng)的小粒度的TMR，這種方法額外資源消耗只為76.5%，而傳統(tǒng)的則達到242%。

　　2.4 基于空間搜索方法的TMR技術

　　由于部分以及小粒度TMR的出現(xiàn)，在FPGA和設計約束的情況下，對粒度以及電路模塊的選擇是一個關鍵的問題，而往往只知道資源、功耗及可靠性等要求，實際的布局與實現(xiàn)是一個棘手的問題。文獻都提出了基于空間搜索的方法。這種方法是提供資源、功耗與可靠性等參數(shù)，在各種可能的解決方法中進行搜索而得到最優(yōu)的結(jié)果。

　　2.5 基于時間的TMR技術

　　基于時間的基本思想是通過多次計算進行故障屏蔽，是對相同的計算重復進行兩次或者多次并比較結(jié)果以檢測和克服錯誤。當對某一部分的電路得到一個結(jié)果后，暫時將其存儲起來，延遲一定時間后再進行一次計算并輸出存儲，若比較結(jié)果不一致則出現(xiàn)了錯誤，此時再延遲相同的時間，將其輸出作為正確的結(jié)果輸出。

　　這種方法對于檢測瞬時故障很有效，但其容錯效果與延遲時間有關系。此方法實際上使用時間的延長換取了資源的節(jié)省，對于實時性較高的系統(tǒng)使用性較差。

　　2.6 基于軟、硬件冗余的TMR技術

　　對于在硬件上出現(xiàn)的不可修復的損壞，上面的方法將都會失效。此時對每個模塊中采用三個不同的版本的文件(一個使用，兩個備份)且每個模塊還有1/4的硬件冗余資源。如果出現(xiàn)了硬件故障，則首先用其他版本對其進行重新配置，如果這樣問題還得不到解決，那么通過使用額外的冗余資源重新布局以繞過出錯的部分。但是由于對冗余資源及存儲單元的要求，這種方法進一步增加了資源的消耗。

　　3 TMR技術發(fā)展展望

　　基于以上的分析，用圖4所示的框圖來描述TMR技術出現(xiàn)的問題與改進方法之間的關系。由于硬件存在故障積累的問題，所以在系統(tǒng)可靠性的要求下產(chǎn)生出了多種新的基于TMR的解決辦法，不過這些技術都只是針對某些問題而提出的，它只解決了部分問題同時也帶來了一些新的問題，所以基于TMR的容錯技術仍然不夠成熟。

　　不過其中小粒度的TMR技術是一種靈活性很大的方法，它結(jié)合其他的一些方法可以在節(jié)約資源的基礎上達到較好的性能，基于小粒度的TMR的技術將會是TMR技術的一個主要發(fā)展方向，需要進一步解決由于布線資源相對增多而對系統(tǒng)可靠性的影響。另外，由于小粒度TMR的實現(xiàn)需要對系統(tǒng)的各部分電路進行選擇并進行布局，所以TMR實現(xiàn)的自動化也是一個需要研究的方向。

　　4 結(jié)語

　　總結(jié)了TMR技術存在的突出問題，研究了這些新方法，分析了其優(yōu)勢以及存在的問題并指出了相應的解決辦法。TMR技術的發(fā)展應該以高效的實現(xiàn)方法及可靠性為方向，以穩(wěn)健的評估策略為基礎，根據(jù)所要達到的參數(shù)要求，以較高的自動化的方式在不同的粒度和布局上進行權衡而得到最終的TMR解決方案。